MXPA06007312A

MXPA06007312A - Sistema criogenico para produccion de nitrogeno a presion elevada.

Info

Publication number: MXPA06007312A
Application number: MXPA06007312A
Authority: MX
Inventors: Peter James Rankin
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-09-01
Also published as: CN101018996A; EP1732978A4; EP1732978A2; WO2005065209A3; US20050138960A1; US7114352B2; CN100554838C; WO2005065209A2

Abstract

Un sistema de separacion criogenica de aire para producir nitrogeno a presion elevada en donde una porcion del producto de nitrogeno alimentado al compresor de producto (110) corriente abajo del termopermutador (101) se separa como nitrogeno refrigerante del compresor de producto (110), preferentemente de un punto intermedio del compresor de producto (110) y se turboexpande para generar refrigeracion para el sistema.

Description

SISTEMA CRIOGÉNICO PARA PRODUCCIÓN DE NITRÓGENO A PRESIÓN ELEVADA Campo Técnico Esta invención se refiere en general a separación criogénica de aire y, más particularmente, a separación criogénica de aire para la producción de nitrógeno a presión elevada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los procesos tales como recuperación mejorada de aceite requieren de grandes cantidades de nitrógeno a presión elevada, el cual se produce mediante la separación criogénica de aire. La producción eficiente de refrigeración para tales sistemas de separación de aire es particularmente importante, especialmente si también se desea cierto producto líquido. Además, la fluctuante demanda de producto líquido incrementa la necesidad de una instalación eficaz de generación de refrigeración. En sistemas que emplean expansión de aire de alimentación, la demanda de líquido incrementada disminuye significativamente las recuperaciones de producto, necesitando de grandes incrementos en el consumo de energ ía y requiriendo de una capacidad de variación no razonable de los compresores de alimentación. Para plantas de nitrógeno de doble columna, la gran caída en la recuperación de nitrógeno también conduce a un gran cambio en las presiones de la columna. Esto también da como resultado una escasa operabilidad de la planta. En sistemas que emplean expansión de desperdicios, la demanda de líquido incrementada necesita de incrementos significativos en presiones de columna, lo cual daña las recuperaciones de producto e incrementa en gran medida el consumo de energía de la planta. Las cambiantes presiones de columna afectan de manera negativa la operabilidad de la planta. Los sistemas que emplean modos convencionales de expansión de nitrógeno de producto caen en una de dos maneras: (1 ) La demanda incrementada de líquido requiere de variabilidad no razonable de las etapas inferiores del compresor de producto, o (2) si se diseña para acomodar de manera adecuada la demanda variable de líquido, los métodos de expansión del producto existente requieren de múltiples turbinas y operan a presiones elevadas que limitan severamente las opciones de núcleo del termopermutador. De acuerdo con lo anterior, un objeto de esta invención es proporcionar un sistema mejorado para la producción de nitrógeno a presión elevada mediante la separación criogénica de aire.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los objetos anteriores y otros, que se volverán aparentes para aquellos expertos en la materia después de una lectura de esta invención, se obtienen por la presente invención, un aspecto de la cual es: El aparato de separación criogénica de aire para la producción de nitrógeno a presión elevada, que comprende: (A) un termopermutador primario, una planta de separación criogénica de aire, y medios para pasar aire de alimentación al termopermutador primario y desde el termopermutador primario hacia la planta de separación criogénica de aire; (B) un compresor de producto que tiene una pluralidad de etapas, un turboexpansor, medios para pasar nitrógeno desde la planta de separación criogénica de aire hacia el termopermutador primario y desde el termopermutador primario hacia el compresor de producto, y medios para pasar nitrógeno desde el compresor de producto hacia el termopermutador primario y desde el termopermutador primario hacia el turboexpansor; (C) un compresor elevador, medios para pasar nitrógeno desde el turboexpansor hacia el termopermutador primario y desde el termopermutador primario hasta el compresor elevador, y medios para pasar nitrógeno desde el compresor elevador hasta el compresor de producto; y (D) medios para recuperar nitrógeno a presión elevada a partir del compresor de producto. Otro aspecto de la invención es: Un método para producir nitrógeno a presión elevada, que comprende: (A) enfriar aire de alimentación en un termopermutador primario, pasar el aire de alimentación enfriado hacia una planta de separación criogénica de aire, y producir nitrógeno mediante rectificación criogénica dentro de la planta de separación criogénica de aire; (B) calentar nitrógeno separado de la planta de separación criogénica de aire en el termopermutador primario, comprimir el nitrógeno calentado en un compresor de producto, pasar una porción del nitrógeno comprimido como nitrógeno refrigerante hacia ei termopermutador primario, enfriar el nitrógeno refrigerante y turboexpandir el nitrógeno refrigerante para generar refrigeración; (C) calentar el nitrógeno refrigerante turboexpandido en el termopermutador primario, comprimir el nitrógeno refrigerante turboexpandido en un compresor elevador, y pasar el nitrógeno refrigerante resultante al compresor de producto; y (D) recuperar el nitrógeno a presión elevada del compresor de producto. Según se utiliza en la presente, el término "columna" significa una columna o zona de destilación o fraccionamiento, es decir, una columna o zona de contacto, en donde las fases de líquido y de vapor se contactan a contracorriente a fin de efectuar la separación de una mezcla fluida, como por ejemplo, mediante contacto de las fases de vapor y líquido en una serie de bandejas o placas verticalmente separadas, montadas dentro de la columna y/o elementos de empaque, tal como empaquetamiento estructurado o aleatorio. Para una discusión adicional de las columnas de destilación, ver el Manual del Ingeniero Químico, quinta edición, editado por R.H. Perry y C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, Nueva Cork, Sección 1 3, El Proceso de Destilación Continua. El término doble columna se utiliza para representar una columna de mayor presión que tiene su extremo superior en relación de intercambio térmico con el extremo inferior de una columna de menor presión. Una discusión adicional de columnas dobles aparece en Ruheman "La Separación de Gases", Oxford University Press, 1949, Capítulo Vil, Separación Comercial de Aire. Los procesos de separación por contacto de vapor y líquido dependen de la diferencia en las presiones de vapor para los componentes. El componente de presión de vapor elevado (o más volátil o de baja ebullición) tenderá a concentrarse en la fase de vapor mientras que el componente de presión de vapor bajo (o menos volátil o de ebullición elevada) tenderá a concentrarse en la fase líquida. La condensación parcial es el proceso de separación mediante el cual el enfriamiento de una mezcla de vapor puede utilizarse para concentrar el(los) componente(s) volátil(es) en la fase líquida. La rectificación, o destilación continua, es el proceso de separación que combina las vaporizaciones y condensaciones, sucesivas, parciales, según se obtienen por un tratamiento a contracorriente de las fases de vapor y de l íquido. El contacto a contracorriente de las fases de vapor y líquido es generalmente adiabático y puede incluir contacto integral (por etapas) o diferencial (continuo) entre las fases. Las adaptaciones del proceso de separación que utilizan los principios de rectificación para separar mezclas con frecuencia son columnas de rectificación, columnas de destilación, o columnas de fraccionamiento nombradas de manera intercambiable. La rectificación criogénica es un proceso de rectificación llevado a cabo al menos en parte a temperaturas en o por debajo de 1 50 grados Kelvin (K). Según se utiliza en la presente, el término "intercambio térmico indirecto" significa la conducción de dos fluidos en relación de intercambio térmico sin ningún contacto físico o entremezcla de los fluidos entre sí. Según se utiliza en la presente, el término "aire de alimentación" significa una mezcla que comprende básicamente oxígeno y nitrógeno, tal como aire ambiental. Según se utiliza en la presente, los términos "porción superior" y "porción inferior" de una columna significan aquellas secciones de la columna respectivamente por encima y por debajo del punto medio de la columna. Según se utiliza en la presente, los términos "turboexpansión" y "turboexpansor" significan, respectivamente, el método y aparato para el flujo de gas a presión elevada a través de una turbina a fin de reducir la presión y la temperatura del gas, generando así refrigeración. Según se utiliza en la presente, el término "planta de separación criogénica de aire" significa la columna o columnas en donde el aire de alimentación se separa por rectificación criogénica para producir nitrógeno y, si se desea, oxígeno y/o argón, así como también tubería de interconexión, válvulas, termopermutadores y lo similar.

Según se utiliza en la presente, el término "compresor" significa una máquina que incrementa la presión de un gas mediante la aplicación de trabajo. Según se utiliza en la presente, el término "nitrógeno" significa un fluido que tiene una concentración de nitrógeno de al menos 98 por ciento en mol. Según se utiliza en la presente, el término "compresor elevador" significa una máquina que incrementa la presión de nitrógeno que abandona un turboexpansor mediante la aplicación de trabajo generado por ese turboexpansor. Según se utiliza en la presente, el término "etapa de compresión" significa un solo elemento, por ejemplo, una rueda de compresión, de un compresor a través del cual el gas incrementa su presión. Un compresor debe estar comprendido de al menos una etapa de compresión. Según se utiliza en la presente, el término "condensador superior" significa un dispositivo termopermutador que genera flujo descendente en la columna del líquido proveniente del vapor de la columna. Según se utiliza en la presente, el término "sub-enfriador" significa un termopermutador en donde el líquido se enfria mediante intercambio térmico indirecto con una o más corrientes de calentamiento a una temperatura menor que la temperatura de saturación de ese líquido para la presión existente.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO La única Figura es una representación esquemática de una modalidad preferida de la invención en donde la planta de separación criogénica de aire es un sistema de doble columna que comprende una columna de mayor presión y una columna de menor presión.

DESCRIPCIÓN DETALLADA La invención comprende un sistema novedoso para refrigeración de una planta de separación criogénica de aire en donde se emplea un compresión de nitrógeno de producto a fin de elevar la presión del nitrógeno refrigerante antes de la turboexpansión. La invención puede utilizarse para refrigerar una planta que produce solo nitrógeno a presión elevada, o una que produce oxígeno y/o argón además del nitrógeno a presión elevada. La invención se discutirá con mayores detalles con relación al Dibujo. Refiriéndose ahora a la Figura, el aire de alimentación 1 , el cual se ha limpiado de impurezas a ebullición elevada, tales como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos, se enfría mediante intercambio térmico indirecto que regresa corrientes en el termopermutador primario 101 . El termopermutador primario 101 puede ser una pieza unitaria aunque el termopermutador primario podría comprender, y preferentemente lo hace, una pluralidad de módulos. El aire de alimentación limpiado y enfriado 2 se pasa entonces del termopermutador primario 101 a la planta de separación criogénica de aire, la cual en la modalidad ilustrada en la Figura comprende una columna de mayor presión 102 y una columna de menor presión 104. En esta modalidad, el aire de alimentación 2 se pasa hacia la columna de mayor presión 1 02. La columna de mayor presión 102 se encuentra operando a una presión generalmente dentro del rango de desde 90 hasta 1 50 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia). Dentro de una columna de mayor presión 102, el aire de alimentación se separa mediante rectificación criogénica en líquido enriquecido con oxígeno y vapor de nitrógeno a mayor presión. El líquido enriquecido con oxígeno se separa de la porción inferior de la columna de mayor presión 1 02 en la corriente 3 y se pasa al sub-enfriador 1 06 en donde se sub-enfría. El líquido enriquecido con oxígeno, sub-enfriado, se pasa entonces en la corriente 4 hacia la válvula 1 13 y después como corriente 5 hacia una columna de menor presión 104 que se opera a una presión menor que la de la columna de mayor presión 102 y generalmente dentro del rango de desde 50 hasta 75 psia. Las alimentaciones pasadas hacia la columna de menor presión 1 04 se separan por rectificación criogénica en vapor de nitrógeno de menor presión y líquido de oxígeno. El vapor de nitrógeno de mayor presión proveniente de la columna de mayor presión se pasa en la línea 6 para mantener al condensador o rehervidor 1 03 en donde se condensa mediante intercambio térmico indirecto con líquido de oxígeno en ebullición a fin de proporcionar flujo ascendente de vapor para la columna 104. El nitrógeno de mayor presión, condensado, resultante, se regresó a la columna 102 en la línea 9 como reflujo. El líquido de oxígeno se separa de la porción inferior de la columna 104 en la línea 1 1 y se sub-enfría mediante paso a través del sub-enfriador 106. El líquido de oxígeno sub-enfriado en la corriente 12 se pasa a través de la válvula 1 14 como una corriente 1 3 en el condensador superior 1 05. El vapor de nitrógeno a presión inferior desde la porción superior de la columna de presión inferior 104 se pasa en la línea 16 al condensador superior 105 en donde se condensa mediante intercambio térmico indirecto con el oxígeno sub-enfriado en ebullición proporcionado al condensador superior 105 en la corriente 13. El nitrógeno de menor presión, condensado, resultante, se regresa a la columna 104 en la tubería 19 como reflujo. Si se desea, una porción 20 del nitrógeno de menor presión, condensado, puede recuperarse como nitrógeno líquido de producto. El oxígeno vaporizado se separa del condensador superior 105 en la corriente 14, se calienta mediante paso a través del sub-enfriador 106 y el termopermutador primario 101 y se retira del sistema en la corriente 25. El nitrógeno se pasa desde la planta de separación criogénica de aire hacia el termopermutador primario y después hacia el compresor de producto. En la modalidad ilustrada en la Figura, el nitrógeno proveniente tanto de la columna de mayor presión como de la columna de menor presión se pasa al compresor de producto. Refiriéndose nuevamente a la figura, el nitrógeno se pasa desde la porción superior de la columna de mayor presión 102 hacia el termopermutador primario 1 01 y después hacia el compresor de producto 1 1 0. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura, una porción de la corriente 6 se pasa como corriente de nitrógeno 7 hacia el sub-enfriador 106 en donde se calienta y después se pasa desde el sub-enfriador 106 en la corriente 10 hacia el termopermutador primario 101 en donde se calienta aún más. El nitrógeno resultante se separa del termopermutador primario 1 01 en la corriente 31 y se pasa al compresor de producto 1 1 0. Una porción de la corriente 1 6 se pasa como corriente de nitrógeno 17 al sub-enfriador 106 en donde se caliente y después se pasa desde el sub-enfriador 106 en la corriente 22 hacia el termopermutador primario 101 en donde se calienta aún más. El nitrógeno resultante se separa del termopermutador primario 101 en la corriente 23 y se pasa al compresor de producto 1 1 0. El compresor de producto 1 10 comprende desde 2 hasta 6 etapas. Una porción del nitrógeno comprimido se separa, preferentemente de un punto intermedio. Es decir, un punto después de la primer etapa pero antes de la etapa final, del compresor de producto 1 10 y pasó como corriente de nitrógeno refrigerante 26 hacia el termopermutador primario 1 01 en donde se enfria y después pasa a la corriente 34 del termopermutador primario 1 01 hasta el turboexpansor 109 para generar refrigeración. El nitrógeno refrigerante que contiene refrigeración resultante se pasa en la corriente 28 desde el turboexpansor 109 hacia el termopermutador primario 1 01 en donde se calienta para proporcionar enfriamiento al aire de alimentación. En nitrógeno refrigerante resultante se pasa entonces en la corriente 29 desde el termopermutador primario 101 hacia el compresor elevador 108. La figura ilustra dos modos diferentes de la operación de esta invención. En un primer modo, que se emplea cuando se recupera poco o nulo producto de nitrógeno líquido, por ejemplo, cuando la corriente 20 no se emplea, el nitrógeno refrigerante se separa de después de una etapa inferior o corriente arriba, por ejemplo, después de la primer etapa de compresión, del compresor de producto 1 1 0 en la corriente 43, se pasa a través de la válvula 120 y a medida que la corriente 45 se utiliza para formar dicha corriente 26 mencionada con anterioridad. En un segundo modo, el cual se emplea cuando se recupera producto de nitrógeno líquido, es decir, cuando se emplea la corriente 20, el nitrógeno refrigerante se separa de una etapa mayor o corriente abajo del compresor de producto 1 10 en la corriente 42, se pasa a través de la válvula 1 1 9 y a medida que la corriente 44 se utiliza para formar la corriente 26 mencionada con anterioridad. En este segundo modo, la corriente 42 puede tomarse de después de la etapa final de compresión del compresor 1 10. Generalmente, en el primer modo la corriente 26 se encontrará a una presión dentro del rango de desde 50 hasta 340 psia, y en el segundo modo la corriente 26 se encontrará a una presión dentro del rango de desde 90 hasta 700 psia. Preferentemente, como se muestra en la Figura, el compresor elevador 108 se acopla mecánicamente al turboexpansor 109 y el turboexpansor 109 sirve para accionar el compresor elevador 108. El nitrógeno en la corriente 29 se comprime hasta una presión generalmente dentro del rango de desde 20 hasta 390 psia en el compresor elevador 108. El nitrógeno adicional resultante 35 se enfría del calor de compresión en el post-enfriador 1 1 1 a fin de formar la corriente de nitrógeno adicional 30 que se pasa al compresor de producto primario 1 1 0. En el primer modo arriba descrito, cuando se recupera poco o nulo producto de nitrógeno líquido, el nitrógeno adicional se pasa en la línea 47 a través de la válvula 122 y a medida que la corriente 49 se combina con la corriente 23 para paso a una etapa corriente arriba, tal como la entrada, del compresor de producto 1 10 en una presión dentro del rango de desde 20 hasta 220 psia. En el segundo modo arriba descrito, cuando se recupera el producto de nitrógeno líquido, el nitrógeno adicional se pasa en la línea 46 a través de la válvula 121 y a medida que la corriente 48 se combina con la corriente 31 para paso al compresor de producto 1 10 en una presión dentro del rango de desde 50 hasta 390 psia. Como puede observarse a partir de la Figura, la corriente 31 se pasa al compresor de producto 1 10 en una etapa corriente abajo de la etapa de compresión a la cual la corriente 23 se pasa al compresor de producto 1 10. El nitrógeno se separa de la etapa final del compresor de producto primario 1 1 0 en la corriente 32 y se recupera como nitrógeno a presión elevada, producto, que tiene una presión generalmente dentro del rango de desde 150 hasta 5000 psia.

La invención toma ventaja del hecho de que la compresión del producto de nitrógeno se requiere después de abandonar el termopermutador primario. Al atraer solo una fracción, generalmente desde aproximadamente 3 hasta 25 por ciento, del flujo de vapor de nitrógeno proveniente del compresor de producto primario para refrigeración, el volumen del flujo de compresor de producto primario proporcionado al compresor de producto primario permanece sin cambio, sin tomar en cuenta la demanda de refrigeración. Además, ya que el vapor de nitrógeno se turboexpande para generar refrigeración y se pasa después al compresor elevador, y no de la otra manera, el refrigerante que opera presiones permanece razonable sin tomar en cuenta la demanda de líquido. Las variaciones de la instalación ilustrada en la Figura pueden incluir el uso de sistemas de turbina-compresor elevador paralelos donde es importante la capacidad amplia de rango de elaboración de líquido. Aunque la invención se ha descrito en detalle con relación a ciertas modalidades preferidas, aquellos expertos en la materia reconocerán que existen otras modalidades de la invención dentro de! espíritu y alcance de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES 1 . El aparato de separación criogénica de aire para la producción de nitrógeno a presión elevada, que comprende: (A) un termopermutador primario, una planta de separación criogénica de aire, y medios para pasar aire de alimentación al termopermutador primario y desde el termopermutador primario hacia la planta de separación criogénica de aire; (B) un compresor de producto que tiene una pluralidad de etapas, un turboexpansor, medios para pasar nitrógeno desde la planta de separación criogénica de aire hacia el termopermutador primario y desde el termopermutador primario hacia el compresor de producto, y medios para pasar nitrógeno desde el compresor de producto hacia el termopermutador primario y desde el termopermutador primario hacia el turboexpansor; (C) un compresor elevador, medios para pasar nitrógeno desde el turboexpansor hacia el termopermutador primario y desde el termopermutador primario hasta el compresor elevador, y medios para pasar nitrógeno desde el compresor elevador hasta el compresor de producto; y (D) medios para recuperar nitrógeno a presión elevada a partir del compresor de producto. 2. El aparato según la reivindicación 1 , caracterizado porque la planta de separación criogénica de aire comprende una columna de mayor presión y una columna de menor presión en donde el nitrógeno proveniente tanto de la columna a presión mayor como de la columna a menor presión, se pasan al compresor de producto. 3. El aparato según la reivindicación 1 , caracterizado porque comprende además un sub-enfriador, en donde los medios para pasar nitrógeno desde la planta de separación criogénica de aire hacia el termopermutador primario incluye el sub-enfriador. 4. El aparato según la reivindicación 1 , caracterizado porque el medio para pasar nitrógeno desde el compresor de producto hacia el termopermutador primario arrastra nitrógeno desde un punto intermedio del compresor de producto. 5. El aparato según la reivindicación 1 , caracterizado porque el medio para pasar nitrógeno desde el compresor de producto hacia el termopermutador primario comprende un primer conducto que tiene una válvula y la cual se comunica con el compresor de producto en una primer posición, y un segundo conducto que tiene una válvula y la cual se comunica con el compresor de producto en una segunda posición que se encuentra corriente abajo de la primer posición. 6. El aparato según la reivindicación 1 , caracterizado porque el medio para pasar nitrógeno desde el compresor elevador hacia el compresor de producto comprende medios de conducto para pasar nitrógeno a una etapa corriente arriba del compresor de producto y medios de conducto para pasar nitrógeno al compresor de producto corriente abajo de dicha etapa corriente arriba del compresor de producto. 7. Un método para la producción de nitrógeno a presión elevada, caracterizado porque comprende: (A) enfriar aire en un termopermutador primario, para pasar el aire enfriado hacia luna planta de separación criogénica de aire y producir nitrógeno mediante rectificación criogénica dentro de la plata de separación criogénica de aire; (B) calentar nitrógeno separado de la planta de separación criogénica de aire en el termopermutador primario, comprimir el nitrógeno calentado en un compresor de producto, pasar una porción del nitrógeno comprimido como nitrógeno refrigerante hacia el termopermutador primario, enfriar el nitrógeno refrigerante y turboexpandir el nitrógeno refrigerante para generar refrigeración; (C) calentar el nitrógeno refrigerante turboexpandido en el termopermutador primario, comprimir el nitrógeno refrigerante turboexpandido en un compresor elevador, y pasar el nitrógeno refrigerante resultante al compresor de producto; y (D) recuperar el nitrógeno a presión elevada del compresor de producto. 8. El método según la reivindicación 7, llevado a cabo en dos modos de operación en donde, en un primer modo, el nitrógeno refrigerante pasado al termopermutador primario tiene una presión dentro del rango de desde 50 hasta 340 psia y el nitrógeno refrigerante resultante pasado al compresor de producto tiene una presión dentro del rango de desde 20 hasta 220 psia, y en un segundo modo el nitrógeno refrigerante pasado al termopermutador primario tiene una presión dentro del rango de desde 90 hasta 700 psia y el nitrógeno refrigerante resultante pasado al compresor de producto tiene una presión dentro del rango de desde 50 hasta 390. 9. El método según la reivindicación 7, llevado a cabo en dos modos de operación en donde, en un primer modo, el nitrógeno refrigerante se pasa al termopermutador primario desde una etapa corriente arriba del compresor de producto, y en un segundo modo, el nitrógeno refrigerante se pasa al termopermutador primario desde una etapa corriente abajo de dicha etapa corriente arriba. 1 0. El método según la reivindicación 7, llevado a cabo en dos modos de operación en donde, en un primer modo, el nitrógeno refrigerante se pasa a una etapa corriente arriba del compresor de producto, y en un segundo modo, el nitrógeno refrigerante resultante se pasa a una etapa del compresor de producto que se encuentra corriente abajo de dicha etapa corriente arriba.